基于第一性原理的冰-纤维素界面研究：迈向仿生防冻材料的设计

《Molecular Systems Design & Engineering》：A first-principles examination of the ice–cellulose interface: towards bioinspired antifreeze design

初始原理建模研究表明，纤维素与冰的基底表面因氢键缺失形成新型C-O键，暴露的O原子与冰面结合。通过四面体几何度分析发现纤维素单元在两种晶面均形成四面体排列，证实冰结合依赖于保持四面体键合结构，为仿生抗冻材料设计提供理论依据。

　　

利用从头算建模方法研究纤维素与冰的结合过程发现，在冰的表面会形成新的C–O键，其中一些氧原子由于缺乏氢键而暴露在表面。进一步分析表明，纤维素分子以一种在冰表面形成四面体结构的方式结合，这一点通过几何测量得到了证实。这一假设在纤维素的一级和二级棱柱形结构中都得到了验证。因此我们可以得出结论：对于纤维素分子而言，其与冰的结合依赖于保持其四面体结构。我们的研究结果表明，四面体结构的概念广泛适用于从水到冰结合蛋白的各种配位现象，这为新型的冰结合/防冻蛋白/材料的设计提供了重要依据。